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Elementi di ingegneria nucleare

01TWUMK

A.A. 2020/21

2020/21

Elementi di ingegneria nucleare

Lo scopo del corso è di fornire agli studenti i fondamenti della fisica dei sistemi nucleari per la produzione di energia, nonché una introduzione alla ingegneria nucleare. Sono illustrati i modelli più semplici per lo studio dei reattori a fissione e alcune nozioni di base sul processo di fusione nucleare. L'obiettivo del corso è anche quello di fornire agli studenti le conoscenze di base e le caratteristiche funzionali delle centrali nucleari: sono illustrati i principali componenti di impianto e il combustibile nucleare nei diversi tipi di reattori, inclusi i reattori a fusione.

Elementi di ingegneria nucleare

The scope of the course is to give the students the fundamentals of the physics of nuclear systems for the production of energy, as well as an introduction to nuclear engineering. The simplest models for the study of fission reactors and some basic aspects on the process of nuclear fusion are illustrated. The course aim is also to give the students the basic knowledge and the functional characteristics of the nuclear power plants: the plant main components and the nuclear fuel in the different reactor types, including the fusion reactors, are illustrated.

Elementi di ingegneria nucleare

Alla fine del corso gli studenti dovrebbero raggiungere i seguenti obiettivi: - conoscere i fenomeni fisici alla base del funzionamento dei reattori nucleari a fissione e fusione; - conoscere i modelli matematici per lo studio della fisica dei reattori a fissione ed essere in grado di effettuare applicazioni numeriche semplici; - conoscere il funzionamento dei principali sistemi e componenti dell’impianto nucleare ed essere in grado di valutare correttamente le prestazioni dell'impianto e il contributo energetico del combustibile nucleare.

Elementi di ingegneria nucleare

At the end of the course students should reach the following objectives: - to know the physical phenomena of nuclear fission and fusion reactors; - to know the mathematical models for the study of the physics of fission reactors and to be able to carry out simple numerical applications; - to know how the plant main systems and components operate and to be able to correctly predict the plant performance and energy contribution of the nuclear fuel.

Elementi di ingegneria nucleare

Corsi di base di matematica, fisica e termodinamica applicata

Elementi di ingegneria nucleare

Basic courses in mathematics, physics and applied thermodynamics.

Elementi di ingegneria nucleare

1. Centrali nucleari: breve storia dell’energia nucleare; la produzione di energia nucleare nel contesto energetico mondiale. Cenni al ciclo del combustibile nucleare. 2. Difetto di massa; radioattività e dose; introduzione alla fisica nucleare; reazioni indotte dai neutroni e fissione nucleare; energia di fissione; sezioni d’urto; calcoli energetici e consumo di combustibile; burn-up e consumo di uranio naturale. 3. La reazione nucleare a catena; la legge di Fick e la teoria della diffusione neutronica; teoria della criticità; sistemi iniettati da sorgenti neutroniche. 4. Moderazione dei neutroni; formula dei quattro fattori; il controllo del reattore; bilancio e scelta dei materiali; rateo di fissione e potenza del reattore; rapporto di conversione e reattori veloci; scelta del rapporto volume di moderatore/combustibile nei reattori termici. 5. Calcolo energetico dettagliato; bilancio annuale dei materiali e dell’energia di un LWR; componenti principali di un reattore; layout di una centrale di potenza; classificazione dei reattori nucleari. 6. Tipologia delle centrali nucleari. Reattori ad acqua leggera. Reattori ad acqua pressurizzata: descrizione dei componenti del circuito primario; vessel; circuito secondario; contenitore di sicurezza; cenno ai sistemi di funzionamento normale e di emergenza; pompe e valvole. 7. Introduzione alla fisica e all’ingegneria dei reattori a fusione.

Elementi di ingegneria nucleare

1. Nuclear power plants: a short history of nuclear energy; the production of nuclear energy in the global world energy context. Basic aspects of the nuclear fuel cycle. 2. Mass defect; radioactivity and dose; introduction to nuclear physics; reactions induced by neutrons; nuclear fission; energy from fission; cross sections; energy calculations and fuel consumption; burn-up and consumption of natural uranium. 3. The nuclear chain reaction; Fick’s and the theory of neutron diffusion; criticality theory; systems driven by a neutron source. 4. Neutron moderation; the four factors formula; the control of the reactor; choice of materials; rate of fission and reactor power; conversion ratio and fast reactors; choice of the moderation ratio in thermal reactors 5. Detailed energy calculation; annual evaluation of materials and energy of a LWR; main components of a reactor; layout of a power plant; classification of nuclear reactors. 6. Different types of nuclear plants. Light water reactors. Pressurized water reactors: description of the components of the primary loop; vessel; secondary loop; containment building; basics of normal and emergency systems; pumps and valves. 7. Introduction to the physics and engineering of fusion reactors.

Elementi di ingegneria nucleare

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Elementi di ingegneria nucleare

Il corso comprende lezioni, in cui vengono presentate la teoria, e esercitazioni, in cui le applicazioni numeriche vengono proposte e discusse. E' prevista inoltre una specifica esercitazione sull'utilizzo di un software per il design di nocciolo di un reattore nucleare (RAPID), per la quale la didattica in presenza è necessaria.

Elementi di ingegneria nucleare

The course includes lessons, in which the theory is presented, and exercise sessions, in which numerical applications are proposed and discussed. An exercise session on the use of a core design computational code (RAPID) is foreseen, to be necessarily carried out in person.

Elementi di ingegneria nucleare

- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore, Università di Pisa, 1980. - J. R. Lamarsh, Introduction to nuclear reactor theory, ANS, 2002. - C. Lombardi, Impianti nucleari, Città Studi, 2004 - M. Cumo, Impianti nucleari. Casa Editrice Università La Sapienza, 2008. - R. Murray, Nuclear energy, Butterworth-Heinemann, 2014. - Appunti dei docenti.

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- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore, Università di Pisa, 1980. - J. R. Lamarsh, Introduction to nuclear reactor theory, ANS, 2002. - C. Lombardi, Impianti nucleari, Città Studi, 2004 - M. Cumo, Impianti nucleari. Casa Editrice Università La Sapienza, 2008. - R. Murray, Nuclear energy, Butterworth-Heinemann, 2014. - Study notes by teachers.

Elementi di ingegneria nucleare

Modalità di esame: Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

E’ previsto un esame scritto, costituito da due parti successive da svolgersi contestualmente, in cui si richiede allo studente di rispondere a domande sugli argomenti trattati nel corso e di svolgere calcoli applicativi. Nello specifico: PARTE A: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata alla fisica del reattore (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online) PARTE B: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata agli impianti e risposta a due domande sugli impianti nucleari a fissione e a fusione (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online) Le fotografie o scansioni in alta definizione dei fogli scritti devono essere caricate, alla fine dell'esame, nella sezione "Elaborati" del portale del corso e verranno verificati per consistenza con gli snapshot presenti nel quiz prima della correzione. La valutazione finale è ottenuta come media, arrotondata all'intero superiore, delle due parti, sotto condizione che una valutazione minima di 15/30 sia ottenuta su ognuna delle due parti. Lo svolgimento (facoltativo) di un esercizio aggiuntivo con l'utilizzo del software presentato ad esercitazione (RAPID) e relativa relazione contribuisce fino ad un massimo di 2 punti alla valutazione finale.

Elementi di ingegneria nucleare

Exam: Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

The course is concluded by a written exam, subdivided into two parts to be carried out in the same exam session, in which the student is requested to answer questions on the topics of the course and to carry out numerical applications. Specifically: PART A: one exercise on the reactor physics part (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz) PART B: one exercise on the nuclear plant part and two questions on topics related to fission and fusion nuclear systems (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz) At the end of the quiz, all papers have to be scanned with high resolution and uploaded in the section "Elaborati" of the course web-site, and will be compared for consistency with the quiz snapshot before being graded. The final grade is obtained as average of the two parts, rounded to the upper integer, under the condition that a minimum grade of 15/30 is obtained on both parts. The utilization of the code illustrated during the exercise lecture (RAPID) and a report on the activity performed contributes up to 2 additional points to the final grade.

Elementi di ingegneria nucleare

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

E’ previsto un esame scritto, costituito da due parti successive da svolgersi contestualmente, in cui si richiede allo studente di rispondere a domande sugli argomenti trattati nel corso e di svolgere calcoli applicativi. Nello specifico: PARTE A: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata alla fisica del reattore (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online nel caso di esame da remoto) PARTE B: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata agli impianti e risposta a due domande sugli impianti nucleari a fissione e a fusione (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online nel caso di esame da remoto) Nel caso di esami da remoto: le fotografie o scansioni in alta definizione dei fogli scritti devono essere caricate, alla fine dell'esame, nella sezione "Elaborati" del portale del corso e verranno verificati per consistenza con gli snapshot presenti nel quiz prima della correzione. La valutazione finale è ottenuta come media, arrotondata all'intero superiore, delle due parti, sotto condizione che una valutazione minima di 15/30 sia ottenuta su ognuna delle due parti. Lo svolgimento (facoltativo) di un esercizio aggiuntivo con l'utilizzo del software presentato ad esercitazione (RAPID) e relativa relazione contribuisce fino ad un massimo di 2 punti alla valutazione finale.

Elementi di ingegneria nucleare

Exam: Written test; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

The course is concluded by a written exam, subdivided into two parts to be carried out in the same exam session, in which the student is requested to answer questions on the topics of the course and to carry out numerical applications. Specifically: PART A: one exercise on the reactor physics part (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz if the exam is carried out remotely) PART B: one exercise on the nuclear plant part and two questions on topics related to fission and fusion nuclear systems (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz if the exam is carried out remotely) In the case of remote exam: at the end of the quiz, all papers have to be high-quality scanned and uploaded in the section "Elaborati" of the course web-site, and will be compared for consistency with the quiz snapshot before being graded. The final grade is obtained as average of the two parts, rounded to the upper integer, under the condition that a minimum grade of 15/30 is obtained on both parts. The utilization of the code illustrated during the exercise lecture (RAPID) and a report on the activity performed contributes up to 2 additional points to the final grade.

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